水轮发电机组是现代电力系统中广泛部署的电能生产装置,发挥着水电能源转化、调峰调频和事故备用等关键作用,其安全稳定运行对提升电能质量和维持电力系统稳定具有重要意义。随着我国水力发电事业的稳步发展,已建和在建水电站规模不断增大,以乌东德水电站850 MW机组和白鹤滩水电站1000 MW机组为代表的特大型常规水轮发电机组和以仙居抽水蓄能电站375 MW机组为代表的大型抽水蓄能机组相继投产发电,水轮发电机组呈现出容量大型化、结构复杂化的发展趋势。在此背景下,水轮发电机组水力、机械惯性及控制单元油、气、机械结构复杂程度不断增加,尤其是机组并网运行后调速系统受水力、机械和电磁耦合作用影响凸显,导致机组的运行和过渡过程控制呈现高度非线性特性。此外,水轮发电机组水力、机械惯性加剧进一步增加了引水系统设计难度,一管多机和不对称布置的水力单元越来越普遍,机组间的水力干扰使得调速系统的运行特性进一步复杂化,给水轮发电机组的安全稳定运行与优化控制带来了一系列亟待解决的理论和工程技术难题。因此,亟需开展水轮发电机组稳定性与过渡过程控制优化研究,为提高大型水轮发电机组运行稳定性和控制性能提供理论基础和技术支撑。为此,本文以探明大型水轮发电机组在并网及复杂引水系统布置条件下的运行稳定性和暂态响应特性以及提高机组过渡过程控制性能为目标,围绕并网条件下水轮发电机组和具有不对称引水系统的水轮发电机组稳定性、暂态响应特性,以及过渡过程控制优化等三方面内容开展了深入研究,取得了一定的理论成果和技术创新,主要研究内容与创新成果如下:1)深入研究了水轮发电机组调节系统各环节数学描述方法,并结合本文研究内容,集成各环节数学模型,建立了满足本文研究需求的水轮发电机组调节系统-电网耦合系统非线性数学模型、一管双机水轮发电机组调节系统非线性数学模型和水轮发电机组调节系统精细化数值仿真模型,为后续研究提供了模型基础。2)探究了并网水轮发电机组运行稳定性及其动态特性,揭示了机组-电网耦合系统多尺度振荡现象及其产生机理。为探明水轮发电机组并网后在水力、机械和电磁耦合作用影响下的稳定性与动态特性,在水轮发电机组调节系统-电网耦合系统非线性数学模型基础上,引入Hopf分岔理论解析了机组运行稳定性及系统状态变量的暂态响应特性,揭示了耦合系统多尺度振荡现象及其产生机理,提出了调速器控制参数的初步整定建议。进一步,基于数值仿真探究了耦合系统参数对不同尺度振荡的影响规律以及耦合系统对内外部扰动的敏感性。3)揭示了具有不对称引水系统的双机调速系统多重稳定性及其产生机理,解析了引水系统拓扑结构对系统稳定性的影响规律。基于一管双机水轮发电机组调速系统非线性数学模型,开展不对称调速系统Hopf分岔分析,解析了系统稳定域与时域暂态响应,揭示了双机系统的多重稳定特性,探究了水流惯性时间常数、水头损失和水轮机惯性时间常数等调速系统参数对系统多重稳定域的影响规律。此外,分析了引水系统拓扑结构参数以及双机控制参数比例对系统综合稳定域的影响规律,给出了调速系统参数、拓扑结构参数和双机控制参数的整定建议。4)提出了抽水蓄能机组导叶关闭规律优化方法,有效提升了甩负荷过渡过程安全性。针对抽水蓄能机组在甩负荷工况下的水力振荡和机械失稳问题,基于水轮发电机组调速系统精细化数值仿真模型,引入调节保证要求和调速器机械、油压限制等多重约束,并首次将转速振荡纳入目标函数体系,建立了均衡考虑转速上升及其波动次数、蜗壳末端压力和尾水管进口压力的等水力、机械关键指标的导叶关闭规律多目标优化模型。进一步,模拟羊群觅食行为提出了多目标人工羊群算法,实现了优化模型的高效求解。优化后的导叶关闭规律使机组转速和蜗壳末端压力极值分别降低了34.4%和1.09%,验证了所提导叶关闭规律优化方法的有效性。5)探明了相继甩负荷工况参数对过渡过程影响规律,提出了双机导叶关闭规律优化方法,提升了机组在相继甩负荷工况下的运行安全性。探究了相继甩负荷间隔时间、工作水头和导叶关闭规律对相继甩负荷过渡过程的影响规律,将单机甩负荷导叶关闭规律优化目标函数与约束条件扩展至双机情景,建立了具有较强工况适应性的相继甩负荷导叶关闭规律多目标优化模型,并结合MOASA进行高效求解。优化后的导叶关闭规律使双机转速指标分别提升了0.54%和5.89%,转速波动降低了1次,蜗壳和尾水管压力指标更加均衡,双机过渡过程整体更加平稳,验证了所提优化方法的有效性和工程应用潜力。